Andrew Dzurak és Henry Yang, a University of New South Wales kutatói vezették azt a kísérletet, melynek során sikerült másfél Kelvin fokon kivitelezni az egy qubitos feladatot a kvantumszámítógép processzorán. Velük pontosan egy időben, de tőlük függetlenül ugyanezt az eredményt produkálta egy másik tudós csapat is, a Delft Egyetem munkatársa, Menno Weldhorst által vezetett kutatás során 1.1 Kelvin hőmérsékleten folytattak le két qubitos számítási folyamatot. Így, hogy egyszerre két vizsgálat is bizonyította a magasabb hőfokon történő kvantumszámítás gyakorlati megvalósításának lehetőségét, az eredmény még nagyobb jelentőséget kap:

úgy tűnik, ezzel elhárult az útból az egyik legnagyobb technikai akadály, mely eddig visszavetette vagy legalábbis nagyban nehezítette a kvantumszámítógépek gyakorlati életben való alkalmazását.

Miért jobb a meleg qubit, mint a hideg qubit?

Míg a hagyományos számítógépek az egyesek és nullák nyelvét beszélik, következő generációs társaik kvantum bitekkel fejezik ki magukat, ezek pedig képesek szuperpozícióban (a két érték egyidejű) állapotában létezni. Ezzel a szuperképességgel a kvantumszámítógépek messze maguk mögött hagyják a tradicionális gépeket és olyan területeken, melyek villámgyors és nagy teljesítményű számítási kapacitást igényelnek, például a gyógyszerkutatásban, vagy új katalizátorok fejlesztésében az eddigieknél sokkal hatékonyabb munkára lesznek képesek, illetve a kvantum alapú kriptográfia (titkosítás) meghackelhetetlen védelmet biztosít majd a szigorúan bizalmas adatok számára. De a qubitek rendkívül érzékenyek a környezeti hatásokra, ahhoz, hogy stabil számítási folyamatokat lehessen végezni a segítségükkel, abszolút nulla fok közelébe, mínusz 273 Celsius fokra kell hűteni az őket tartalmazó chipet (ez jóval hidegebb, mint a világűr). Ehhez szépen aranyozott, de bonyolult szerkezeteket, folyékony héliummal működő hűtőket használnak. A különböző hűtőrekeszek, a többrétegű, légmentes lezárást biztosító, hőpajzsként funkcionáló külső burkolat, a fotonszállító koaxkábel-tekercsek, melyek az extrém hideg hőmérsékletben védik a kábeleket a szétpattanástól, mind azt a célt szolgálják, hogy a processzor működőképes maradjon.

Ez azonban, tekintve, hogy egy számítógép funkcionálásához milliónyi qubitra és milliónyi kábelre van szükség, rendkívül helyigényes és rendkívül drága megoldás.

Az előző század hatalmas termeket elfoglaló számítógép-monstrumaihoz hasonlóan, ezeket is le kell kicsinyiteni ahhoz, hogy mindenki által használható, kereskedelmi forgalomba hozható gépeket kapjunk, csak szakértők által üzemeltethető kuriózumok helyett. A mostani felfedezés ebben hozhat változást: a melegebb körülmények között is használható chip töredékére redukálja a méretet és költségeket, mivel nem kell annyit fektetni a hűtési rendszerbe.

Színre lép a szilícium chip

Mindez azonban nem lenne megvalósítható a hagyományosan használt szupravezető chipekkel, melyekkel a kvantumszámítógép piac legnagyobb nevei: a Google, az IBM vagy a D-Wave kísérleteznek. A Delft Egyetemmel együttműködő Intel is a szupravezetőktől fordult a szilícium kvantum bitek irányába, a mostani kutatások fényében pedig egyértelmű: ha a hűtési költségek csökkentése a cél, a szilícium alapú technológia jelenti a megoldást. Minden egyes szilícium spin qubit néhány elektronból áll, melyeket egy kvantumpont rejt. A tranzisztoron keresztül folyó áram az elektronokat egy, a szilíciumban található bemélyedésbe löki, majd az elektrosztatikus erő a helyén tartja őket. Az úgynevezett Pauli spin blokáddal megoldható, hogy csak az eltérő spinű bitek kerüljenek ugyanabba a mélyedésbe.

Az UNSW és a Delft Egyetem kutatói is ezzel a módszerrel bizonyították, hogy a számítási folyamat kivitelezhető extrém hideg nélkül is.

A Delft csapatának pedig sikerült a két qubit spinjét összhangba hozni, ami szintén létfontosságú, hiszen a kvantum bitek interakciója teszi lehetővé, hogy egy programot végig lehessen futtatni a számítógépen. A felfedezett technikának még egy előnye van: így már egymás mellé, egy chipre vagy egymás melletti chipekre lehet helyezni a kvantum biteket és a számítások leolvasására alkalmas elektronikát, amely a hőtermelése miatt eddig a hűtőn kívül kapott helyet. Hűtésre azonban továbbra is szükség van, hiszen a melegebb környezet relatív fogalom, az 1.5 Kelvin mindössze másfél fokkal magasabb az eddigieknél: mínusz 271, 65 Celsius fokot jelent. “Másfél fok az abszolút zéró felett még mindig elég hideg nekünk, embereknek, de a kvantum világban majdnem olyan, mintha a Nap felszínén élnénk.” - mondta Andrew Dzurak, a UNSW kutatója.

“Ezek az eredmények megnyitják az utat a kísérleti eszközöktől a megfizethető kvantum komputerek irányába, a való világban alkalmazható üzleti és kormányok általi applikációk számára.”

Jim Clarke, az Intel kvantum hardware részlegének vezetője ezt körülbelül egy évtizeden belül prognosztizálja: “Realisztikusan, valószínűleg még nyolc-tíz év, mire olyan kvantum rendszerünk lehet, amellyel elérhető valami, amely megváltoztatja az életünket, oly módon, melyre a klasszikus számítógép nem képes.”

(Fotó: Flickr/ibm_research_zurich)